光电印制电路板用聚合物光波导材料研究进展及应用

2010秋季国际PCB技术/信息论坛-258-覆铜箔层压板CCL光电印制电路板Opto-PCB光电印制电路板用聚合物光波导材料研究进展及应用PaperCode:A-014陈伟范和平湖北化学研究院摘要随着PCB对高密度和高速率传导的要求越来越高，光电印制电路板(EOPCB)作为PCB的新一代产业已成为历史发展的必然。无论从材料的结构、性能，还是材料自身的成本和可加工性，聚合物光学材料都显示出了比无机材料更加优越的应用前景。对聚合物光波导材料的研究主要集中在提高其热及化学稳定性和降低材料的吸收损耗等方面。本文首先对光电印制电路板进行了简要概述，接着对聚合物光波导的分类、特点、材料、主要性能及提高方法分别作了比较详细介绍，然后对几种常用的聚合物光波导材料的单体及合成作了进一步阐述,最后对聚合物光波导加工成型工艺和相关性能检测方法进行了详尽阐述。关键词光电印制电路板；聚合物光波导；新型光刻；含氟聚酰亚胺；聚合物薄膜；光传输损失中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009-0096（2010）增刊-0258-18ThePolymeropticalwaveguidematerialsforEOPCBanditsapplicationsCHENWeiFANHEAbstractOptical-ElectronicPrintedCircuitBoards(EOPCB)isthetrendofPCB,whichhasitsgreatadvantageofsignaltransmissionbetweenchips.FluorinatedPolyimideshaveidealpropertieswhichmakethembecomeanexcellentcandidateandpeople’sfocusforapplyinginEOPCB.Atthesame,thecharacterizationofthismaterialwasreviewed.ThemonomerandsynthesizationofFluorinatedPolyimideswasprovided.Atlast,thepatterningtechniquesanddetectingtestofOpticalWaveguidewasintroducedindetails.KeywordsEOPCB;PolymerOpticalWaveguide;FluorinatedPolyimides;ThinPolymerFilm;opticaltransmissionloss任何技术的创新都是由相应领域材料学的快速发展来推动，光电信息通讯技术的发展正在广泛而深刻地影响着人们的生活和社会的进步。随着PCB对高密度和高速率传导的要求越来越高，光电印制电路板(EOPCB)作为PCB的新一代产业已成为历史发展的必然。无论从材料的结构、性能，还是材料自身的成本和可加工性，聚合物光学材料都显示出了比无机材料更加优越的应用前景。对聚合物光波导材料的研究主要集中在提高其热及化学稳定性和降低材料的吸收损耗等方面。在各种材料中，聚合物材料以其易加工、低双折射和好的光学性能等优-259-覆铜箔层压板CCL2010秋季国际PCB技术/信息论坛光电印制电路板Opto-PCB点成为目前研究的热点。光电印制电路板利用光具有带宽高、密度高、没有电磁干扰(EMI)等优势，因此正逐步用于系统内互连代替电互连。芯片到芯片间的光互连技术是解决这些PCB板上电互连瓶颈的一个非常有前途的方法。传统电互连技术的性能由于固有的物理原因而受到限制，如电子计算机中超大规模集成电路中电信号所引起的缺陷：1.冯诺伊曼不能快速处理问题的“瓶颈”效应；2.电互连速度受限；3.互连带宽问题；4.时钟歪斜问题；5.串音问题。其主要的问题和缺陷在于：存在严重的串话，RC时延，时钟歪斜，瓶颈阻塞和功耗大。而光互连就能避免以上缺陷，优点很多：1.能在空间自由独立无干扰的传播；2.传输速度快且速度与互连通道无关；3.容易转变成电信号；4.具有极高的时间空间带宽积；5.传输功耗低和损耗小。与光互连发展密切相关的材料——光波导材料，可分为两种：第一种是采用离子交换的方法制作玻璃光波导，该方法工艺简单，实验容易，但和PCB集成相对较难。第二种方式是制作现在比较流行的聚合物波导，聚合物波导具有较高的电光耦合系数、较低的介电常数、响应时间短、热损耗小、加工工艺简单、价格低廉和无须高温加热，还可以通过分子设计来合成具有预期效果的聚合物高分子，更重要的是它与PCB集成相对简单，适合大规模的生产。1光电印制电路板(EOPCB)EOPCB一个特征：将光波导埋入传统的PCB，从而提高宽带的数据传输和降低印制电路板的费用、发射噪音、传输的安全性、低损耗和重量轻。用光纤耦合和检测系统推光波导进行测试，并作为基线。然后，VCSEL作为光源直接耦合到光波导，模拟实际的操作条件。光波导与VCSEL之间的耦合容限是光电印制电路板集成中昀主要的耗费。容限越大，组装的耗费越低。EOPCB两个问题：采用普通印制电路板FR4作基板时，表面不够光滑;光学材料和基板的热膨胀系数不同。解决这两问题相应措施为：溶胶凝胶混合材料和有效的旋涂方法。采用有机和无机共混的溶胶凝胶材料（trimethylolpropyltriacrylate），以及在FR4上双重旋涂光波导材料能取得比较好的效果，第一层用500rpm涂5s，第二层用1500rpm转速旋涂30s。这样使表面的粗糙程度降低到小于5nm。对比的话，涂一层粗糙程度是60nm。并且光吸收和插入损耗降低到可实用范围，在850nm通信波长下，是0.02dB。EOCPB三个时代：第一代是在PCB上分散纤维光芯片-芯片互连和板-板互连，第二代挠性基板光连接技术，第三代混杂式光电连接技术。图1EOPCB系统结构布局原理图光电印制电路板工作原理：大规模集成芯片产生的电信号经过驱动芯片作用VCSEL激光发生器，激光束直接或通过透镜传输到有45°镜面的聚合物波导反射进入波导中，然后通过另一端波导镜面反射传送到PD接收，再经过接收芯片转换成电信号传给大规模集成芯片，这样使得芯片和芯片可以通过光波导高速通信，从而整体提高系2010秋季国际PCB技术/信息论坛-260-覆铜箔层压板CCL光电印制电路板Opto-PCB统性能，该PCB制作和传统PCB的制作工艺兼容，只是把聚合物波导层当作PCB其中的一层进行叠片而已。2聚合物光波导材料2.1聚合物光波导的分类介质光波导（简称光波导）是一种能够将光波限制在其内部（图2a）或其表面附近，引导光波沿确定方向传播的介质几何结构，它包括平板波导（图2b）、条形波导（图2c）以及圆形截面的圆波导（光学纤维，简称光纤）（图2d）等具有平面对称性或直角对称性的光波导。图2光波导原理及分类图介质平板波导的结构，由三层材料组成，中间一层是折射率为n1导波层，下层是折射率为n3的衬底，上层是折射率为n3的覆盖层。导波层的厚度一般为微米量级，可与光波长相比较。为了构成真正的波导，要求n1必须大于n2和n3。如果n2=n3，则称该波导为对称平板波导，如果n2与n3不等，则波导是非对称的。图3介质平板波导结构图2.2聚合物光波导的优点聚合物光波导具有如下优点：（1）制作高质量的聚合物波导材料相对容易，同时波导材料的折射率也易于调节。（2）器件制作工艺简单，并且与传统的印制电路板相容，有利于大规模的生产，成本低。-261-覆铜箔层压板CCL2010秋季国际PCB技术/信息论坛光电印制电路板Opto-PCB（3）材料可旋涂在许多类型的基底上，有利于与其它的光电子器件集成。（4）材料种类多，因而可选择损耗低且偏振无关的材料来制作器件。双折射小，制成波导器件性能受偏振影响较小。2.3聚合物光波导材料聚合物光波导材料应该满足如下的要求：（1）在1.3μm或1.55μm波长的吸收损耗和双折射较小；（2）有较高的热稳定性；（3）芯层材料的折射率易调节，且各向同性；（4）有良好的成膜性且所制备薄膜表面要平整，因为表面起伏将对器件性能产生很大影响，并会使光学损耗增大；（5）匹配的固化温度，多层波导中后续层的固化温度应该小于前一层的玻璃态转化温度（Tg），上包层的固化温度要低于或接近芯层的固化温度，而芯层的固化温度则要低于下包层的固化温度，否则会在波导中引入较大的光学损耗；（6）所制备薄膜的化学特性要匹配，要求各层薄膜之间互不相溶；（7）各层薄膜间的应力匹配，否则会产生龟裂现象；（8）下包层和衬底间的粘附力要好，防止制备中从衬底剥落。2010秋季国际PCB技术/信息论坛-262-覆铜箔层压板CCL光电印制电路板Opto-PCB2.4聚合物光波导材料主要性能2.4.1．耐热性耐热性是聚合物光波导材料的重要性能，尤其对于传统聚合物光波导材料，由于耐热性能较差，大大限制了它的应用，故提高耐热性势在必行。实例（1）提高PMMA聚合物光波导热性能的方法，向聚合物中加入固化剂2-甲基咪唑，在一定温度下加热使环氧开环交联，得到了固化前后聚合物的DSC曲线，固化前的Tg为101℃，加入0.5%（wt）2-甲基咪唑在120℃下固化3h之后的Tg为125℃。（2）以N一环己基马来酰亚胺(ChMI)和PMMA共聚以提高其耐热性是开发耐热PMMA的昀佳方案之一。悬浮聚合和乳液聚合法合成了ChMI和PMMA共聚物，马来酸酐(MA)难以自聚而易与其它乙烯基单体共聚，因而被大量用来改性聚氯乙烯(PVC)，聚苯乙烯(PS)以提高这些材料的耐热性，但MA易与水反应，不能采用悬浮法和乳液法共聚，（3）引入环状结构200℃~250℃下PMMA可与甲胺、环己胺、苯胺等伯胺类单体反应，经胺化、酰亚胺化等反应，甲基丙烯酸结构含有活泼氢原子，可与羰基生成氢键。调节胺的用量可合成不同Tg的耐热PMMA。此方法工艺成熟、操作简单，改性后的聚合物耐热性好，是工业生产中广泛采用的方法。（4）利用甲胺和PMMA反应合成了一系列耐热PMMA产品。以环己胺和PMMA在250℃下反应2h，得到戊二酰亚胺结构含量65%，甲基丙烯酰胺结构含量25%，甲基丙烯酸结构含量10%的聚合物，Tg达195℃。2.4.2折射率光波导层折射率的误差要小，并且芯层与包层的折射率之差至少为8％。并且折射率越高，意味着光损耗会越小，选择材料的范围会越广，折射率可控是聚合物的一重要特征。（1）影响光波导材料折射率的主要因素①极化率，电子云密度和对波长的依赖性，紧密堆积或大的极化率使材料折射率增加，电子极化率是由于电子在正电荷的平衡位置轻微收缩震动引起，短暂，10s~15s，原子极化率是电场诱导，原子核重排，正电荷的原子核向负极移动，原子重排的响应频率要比电子的小得多，偶极极化对于折射率的影响只有在气态或是极性液体时占主导，芳香族聚合物的折射率比脂肪族聚合物折射率高，堆积密度和电子极化率比脂肪族高，有共轭，折射率会更高，引入氟原子，有较大原子半径，增加自由体积，堆积密度减小，折射率降低，电子极化率降低，因C-F键电子极化率小于C-H，氟取代，昀大吸收波长红移，加大材料昀大吸收波长与光波使用波长之间的差异，降低折射率。-263-覆铜箔层压板CCL2010秋季国际PCB技术/信息论坛光电印制电路板Opto-PCB②温度影响：聚合物的折射率随温度变化而变化的幅度比传统波导材料大，热光效应大。回程光损失技术，可测出随温度变化的变化值。③湿度影响：主要是聚合物中亲水基团存在而引起的吸湿与溶胀间的动态平衡。d-PMMA折射率随湿度升高而升高，当温度大于60℃，折射率又随其降低，对于憎水聚合物，如有机硅树脂、氟代环氧树脂，随湿度变化不大。（2）提高折射率的方法3.4.3光传输损耗（1）光传输损耗：光强不断被介质吸收。光波强度随进入介质距离的增大而按指数规律衰减。光纤传输损耗用每单位长度的分贝数表示dB/m。（2）吸收光损耗：电子振动吸收引起光损耗，主要在紫外区，脂肪族集中在远紫外区（200nm），芳香族在近紫外（200nm~400nm），含氟聚合物，紫外吸